3.1.4. Эвтектоидное превращение

Рассмотрим превращения, происходящие в сталях при медленном охлаждении. Часть диаграммы, относящаяся к этим сплавам, приведена на рис. 47. Перитектическая часть не показана, так как была рассмотрена ранее.

Рис. 47. Часть диаграммы Fe-Fe₃ С до 2,14% С стали) и кривые охлаждения сплавов

Сплав I с содержанием углерода менее 0,006 %. Сплавы с содержанием углерода менее 0,025 % называются технически чистым железом.

Кристаллизация сплава I начинается при температуре, соответствующей точке 1 и заканчивается в точке 2 образованием аустенита. В процессе кристаллизации состав жидкой фазы изменяется по линии ликвидус, а твердой (аустенит) по линии солидус. Поэтому кристаллы аустенита, образовавшиеся в начале процесса кристаллизации имеют концентрацию углерода меньшую по сравнению с кристаллами, образующимися при более низкой температуре, т. е. аустенит формируется с переменным составом по углероду.

При очень медленном охлаждении в интервале температур между точ­ками 2 и 3 происходит некоторое выравнивание состава за счет диффузии углерода. Однако этот процесс до температуры, соответствующей точке 3 (находящейся на линии GS) завершиться не успевает.

Как отмечалось ранее, линия GS соответствует семейству критических точек в которых происходит смена решеток -железа в -железо. Если в железе углерод отсутствует, то переход Fe_ ↔ Fe_ совершается при температуре 911 С (точка G). При наличии в железе углерода температура полиморфного превращения понижается по линии GS, а при концентрации 0,8 % (точка S) и более – по линии SK (727 С). Ниже этой температуры в углеродистых сталях Fe_ не существует.

Следовательно, в рассматриваемом сплаве I в точке 3 начинается выделение кристаллов феррита в составе аустенита, причем первыми полиморфное превращение претерпевают решетки аустенита с меньшим содержанием углерода. Так как растворимость углерода в феррита очень мала (при температуре точки 3 менее 0,006 % – линия PG), то его излишки вытесняются из решетки Fe_ и за счет диффузии перераспределяются в оставшемся аустените, который при этой температуре может растворить углерода около 2 % (линия SE). Таким образом, переход аустенита в феррит происходит во всем объеме не сразу, а в интервале температур 3–4. Поскольку к окончанию перекристаллизации (точка 4) феррит не достигает предельной концентрации, то до полного охлаждения никаких фазовых превращений в нем происходить не будет.

Сплав II с содержанием углерода более 0,006 % и менее 0,02 %. От температуры начала кристаллизации (точка 5) и до температуры, соответствующей точке 8 в сплаве происходят процессы, аналогичные процессам, происходящим в сплаве I до линии PG. В результате структура состоит из чистого феррита. При охлаждении сплава до температуры 9 фазовых превращений в нем не происходит, но размеры решетки Fe_ уменьшаются. Поэтому при температуре, соответствующей точке 9 наступает предельная растворимость углерода в Fe_ (линия QP). По этой причине при дальнейшем понижении температуры, углерод из решетки феррита вытесняется и идет на образование мелких кристаллов цементита третичного (Ц _III), который выделяется по границам зерен феррита. Этот цементит понижает пластичность низкоуглеродистой стали, что отрицательно сказывается при холодной штамповке.

При ускоренном охлаждении выделение третичного цементита задерживается и он может не выделиться совсем.

Сплавы с содержанием углерода более 0,02 %. Стали с указанным содержанием углерода характерны тем, что в них происходит эвтектоидное превращение (линия PSK, 727 С). Эвтектоидное превращение состоит в распаде аустенита, содержащего 0,8 % С (точка S) на смесь феррита состава точки P (0,02 % С) и цементита вторичного (6,67 % С): А_0,8 ↔ Ф_0,02 + Fe₃C.

Точка S называется эвтектоидной точкой, а сталь с содержанием углерода 0,8 % – эвтектоидной сталью или перлитом (П). Стали с содержанием углерода до 0,8 % относятся к группе доэвтектоидных, а содержанием углерода более 0,8 % – к группе заэвтектоидных.

Рассмотрим подробнее эвтектоидное превращение при образовании перлита в эвтектоидной стали.

Сплав IV – эвтектоидная сталь (С = 0,8 %).

Кристаллизация сплава начинается при температуре соответствующей точке 14 и заканчивается в точке 15 с образованием аустенита. До температуры критической точки S (727 °С) сталь не претерпевает никаких фазовых превращений.

При температуре 727 °С( точка S) во всем объеме аустенита начинается эвтектоидное превращение, которое подчиняется общим законам кристаллизации и происходит путем образования центров кристаллизации феррита и цементита с последующим ростом кристаллов этих фаз.

В связи с тем, что углерод в аустените распределен неравномерно (наличие флуктуаций) появление центров кристаллизации существенно облегчается. При этом ведущей фазой при превращении является цементит, зародыши которого возникают по границам зерен аустенита. Зародыши зерен цементита растут в форме тонких пластин, направленных вглубь зерен аустенита. Для роста пластинки цементита необходимо, чтобы к ней диффундировал углерод из соседних участков. В результате аустенит, расположенный около пластинки обедняется углеродом, перестраивается решетка (Fe_ ↔ Fe_), и в результате этого создаются условия для образования феррита. Следовательно, по обе стороны пластинки цементита растут пластинки феррита (рис. 48, а).

Рост пластинки феррита, ввиду малой растворимости в ней углерода, приводит к вытеснению излишков последнего в соседние участки аустенита, где образуется новая пластинка цементита. Семейство пластинок феррита и цементита составляет зерно перлита. Граница зерна перлита сама становится поверхностью, от которой начинается формирование второго зерна (см. рис. 48, б). Значит, в пределах одного аустенитного зерна могут образовываться несколько перлитных зерен.

Рис. 48. Схема образования перлита: а – образование первого зерна; б – образование следующего зерна

Рис. 49. Структура перлита, ×1000

В результате превращения аустенита в перлит, образовавшийся феррит содержит углерода 0,02 % (соответствующее точки Р, см. рис. 47). При дальнейшем охлаждении эвтектоидной стали, такое количество углерода в феррите содержаться не может из-за ограниченной растворимости (линия QP). Поэтому излишки углерода, выделяясь из феррита, способствуют образованию цементита третичного. Этот цементит в структуре стали виден не будет, так как он присоединяется к цементиту, входящему в состав перлита. Таким образом, после полного охлаждения структура эвтектоидной стали (С = 0,8 %) будет состоять только из перлита: П(Ф+Ц _II), структура которого имеет пластинчатое строение смеси феррита и цементита (рис. 49).

Толщина пластинок феррита и цементита не одинакова. Пластинки феррита толще пластинок цементита в среднем в 7,5 раз. Очень важной характеристикой перлита служит межпластинчатое расстояние, которое равно суммарной толщине соседних пластин феррита и цементита или расстоянию между ближайшими пластинками одной фазы. При медленном охлаждении образуется крупнопластинчатый перлит с межпластинчатым расстоянием 0,5…1,0 мкм. При увеличении скорости охлаждения образуется более тонкопластинчатый перлит.

С уменьшением толщины пластин феррита и цементита увеличиваются твердость и прочность стали. Изменяя скорость охлаждения, можно получать перлит разной дисперсности, регулируя свойства стали в широком диапазоне.

Сплав III – доэвтектоидная сталь.

Кристаллизация сплава происходит в интервале температур, соот­ветствующих точкам 10 и 11 (см. рис. 47). Образовавшийся аустенит, с переменным составом по углероду, до критической точки 12 никаких фазовых превращений не претерпевает. В интервале температур 12–13 происходит превращение аустенита в феррит, вызываемое сменой решеток Fe_ ↔ Fe_, причем первыми такое превращение претерпевают решетки с более низким содержанием углерода. Так как феррит содержит очень мало углерода, его излишки диффундируют в остающийся аустенит. Увеличение концентрации углерода в аустените можно проследить по линии GS, используя правило отрезков.

По достижении сплавом температуры 727 С (точка 13) оставшийся аустенит насыщается углеродом до 0,8 % (точка S), то есть создаются условия для образования перлита. В результате аустенит распадается с образованием эвтектоида:

А_0,8 → П (Ф_0,02 + Ц _II).

П

Рис. 50. Структура доэвтектоидной стали (0,4 % С). Светлые зерна – феррит; темные – перлит, × 250

осле эвтектоидного превращения структура доэвтектоидной стали состоит из феррита и перлита. При дальнейшем охлаждении ввиду ограниченной растворимости углерода в феррите (линия QP) из него выделяется цементит третичный. После окончательного охлаждения структура сплава состоит из феррита, перлита и цементита третичного: Ф + Ц _III + П (Ф + Ц _II+ Ц _III) В связи с тем, что количество третичного цементита незначительно, в структуре стали он не виден, так как присоединяется к цементиту, входящему в перлит. Структура доэвтектоидной стали приведена на рис. 50. Как видно из диаграммы, аналогичные превращения происходят и в любой другой доэвтектоидной стали при ее охлаждении. С увеличением содержания углерода в сплаве уменьшается количество ферритной фазы, а количество перлита увеличивается, что повышает такие механические свойства, как твердость, прочность и др.

Сплав V – заэвтектоидная сталь.

Образовавшийся в результате кристал­лизации (между точками 16 и 17) аустенит до температуры, соответствующей точке 18 никаких фазовых превращений не претерпевает. При достижении критической точки 18 наступает предельная растворимость углерода (линия SE). При дальнейшем охлаждении сплава содержание углерода в аустените понижается, так как уменьшаются параметры всех решеток Fe_. Поэтому в интервале температур 18–19 из аустенита выделяется углерод, который образует вторичный цементит, располагающийся по границам зерен. К температуре 727 С (точка 19) аустенит обедняется углеродом до концентрации 0,8 % (соответствующей точке S), чем создаются условия для эвтектоидного превращения: А_0,8 → П (Ф_0,02 + Ц _II). По окончании этого превращения структура заэвтектоидной стали состоит из перлита и расположенного по границам зерен цементита вторичного. При дальнейшем охлаждении из-за ограниченной растворимости углерода в феррите (входящего в состав перлита) из него выделяется цементит третичный, который структурно не выявляется,сливаясь с цементитом вторичным в составе перлита. После окончательного охлаждения, структура заэвтектоидной стали состоит из перлита и цементита вторичного, расположенного в виде сетки по гран

Рис. 51. Структура заэвтектоидной стали (С = 1,2 %), × 200

ицам зерен перлита (рис. 51).

Такую структуру будет иметь любая заэвтектоидная сталь. С увеличением содержания углерода количество вто­рич­ного цементита в стали увеличивается. Максимальное количество вторичного цементита в заэвтектоидной стали с содержанием углерода 2,14 % составляет примерно 20 %.

Таким образом, после полного охлаждения в равновесных условиях стали будут иметь следующие структуры:

– доэвтектоидные – Ф + П (Ф + Ц _II);

– эвтектоидные – П (Ф + Ц _II);

– заэвтектоидные – П (Ф + Ц _II) + Ц _II.

С увеличением в стали содержания углерода растет количество цементитной составляющей как в составе перлита, так и в свободном состоянии. Это ведет к повышению твердости и прочности, но пони­жаются пластичность и вязкость.

Углерод также влияет на технологические свойства стали. Увели­чение содержания углерода приводит к снижению способности стали деформироваться в горячем и, особенно в холодном состоянии, ухудшает свариваемость.